竟然存在比原子鐘還要精確的東西？

自人類文明伊始，我們就開始利用一些能觀察到的周期性現(xiàn)象進行計時。太陽東升西落，人們學會在地上豎起一根木棍，通過步測影子的長度讀出時間，這就是最初的時鐘，也被稱為日規(guī)。而后，人們在日規(guī)的基礎上發(fā)展出更精巧的日晷。后來，水鐘和鐘擺的出現(xiàn)使得計時越來越不依賴自然的日光。

如今，原子的振蕩是科學家目前所能觀測到的最穩(wěn)定的周期性事件，而原子鐘也成了目前世界上最精確的計時器，它的穩(wěn)定程度甚至超過了自然行星系統(tǒng)的運行?，F(xiàn)今最精確的光學原子鐘差不多能精確到101?分之一，換句話說，如果它從宇宙大爆炸之初就開始運行，一直走到今天，誤差也不超過1秒。

然而科學家并沒有止步于此，他們正努力制造出一種比原子鐘更精確的時鐘。它被稱為核鐘，甚至可能成為有史以來最精確的計時器，據(jù)估計，其精度可以達到原子鐘的10倍。物理學家相信，隨著時鐘精確度的不斷提高，它們能幫助探索更多問題，將探索的目光推向更極致的邊緣。

原子鐘利用的是電子的能量躍遷來計時。根據(jù)量子物理學，原子中的電子在特定的能級上只能攜帶一定量的能量。為了使原子中的電子從一個能級到達另一個能級，必須用適當頻率的激光照射原子。這一頻率，也就是光的電磁波振蕩的速率，就可以作為一個非常精確的計時器。

原子中的電子及其能級簡化示意圖。|圖片來源：岳岳 / 原理

就像原子中的電子一樣，原子核里的質子和中子同樣占據(jù)著不連續(xù)的能級。但不同的是，原子核受到強大的核力作用，這種力將質子和中子牢牢綁在一起。

原則上來說，物理學家可以利用原子核的物理特性，制造出全新的核鐘。核鐘能通過核能級之間的躍遷，而不是電子能級的躍遷來計時。值得注意的是，由于原子核比原子的電子殼層小得多，它對外界的擾動更加不敏感。原子核能夠抵御會干擾原子鐘的雜散電場或磁場的影響。因此一些物理學家相信，核鐘更穩(wěn)定，也更精確。

但問題在于，如果要用原子核計時，就需要激發(fā)原子核能級之間的躍遷?？茖W家清楚，對大多數(shù)原子核來說，激光或許“力所不能及”，這需要比激光更高能量的光。幸運的是，在所有已知的原子核中，物理學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一個例外，那是個“怪咖”：在釷-229中，有一對能量足夠接近的相鄰能級，激光就有可能引發(fā)躍遷。

更精確地測量這種躍遷的能量，便是建造釷核鐘的關鍵一步。2019年《自然》雜志上的論文報道，一組物理學家通過測量原子核在兩個能級之間躍遷時發(fā)射的電子來估算其能量。在2020年的一項新研究中，研究人員測量了釷原子核能夠產(chǎn)生的其他能量躍遷，減去它們，就可以推斷出核鐘躍遷的能量。

研究人員一致認為，這種躍遷的能量大約是8電子伏特多一點，這種能量相當于紫外線的波長范圍，在這種情況下，用激光激發(fā)躍遷是可能的，但也正處于目前科學家能力極限的邊緣。

在了解躍遷能量的大小之后，科學家下一步的目標就是用激光觸發(fā)它，并在未來數(shù)年內建造出真正的核鐘。目前，科學家嘗試的方法包括頻率梳和電子橋等。頻率梳是一種創(chuàng)建激光不連續(xù)頻率陣列的方法，它有望啟動躍遷，并更準確地測量其能量；而電子橋的大致原理則是使激光首先激發(fā)電子，然后再將能量轉移到原子核。

不少物理學家相信，更精確的時鐘可以推動依賴于它們的技術的改進，比如GPS導航。核鐘還可以讓人們對物理學中的基本思想進行新的測試，許多物理學家感興趣的是，它可以幫助確定自然中的一些基本常數(shù)是否會隨時間而變化。

例如，一些研究表明，精細結構常數(shù)（決定電磁相互作用強度的數(shù)字）在某些情況下可能會產(chǎn)生變化，而核鐘就是尋找基本常數(shù)變化的完美系統(tǒng)。這些裝置同樣能夠測試愛因斯坦的廣義相對論的基礎，也就是所謂的等效原理。這種極為精確的時鐘甚至還有潛力用于尋找暗物質，或者解決物理學中的一些大問題，幫助揭開物理學的新篇章。

責任編輯：lq6